Design and Evaluation of a Hardware System for Online Signal Processing within Mobile Brain-Computer Interfaces

Brain-Computer Interfaces (BCIs) sind innovative Systeme, die eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten ermöglichen. Diese Schnittstellen haben sich zu einer transformativen Lösung nicht nur für Menschen mit neurologischen Verletzungen entwickelt, sondern auch für ein breiteres Spektrum von Menschen, das sowohl medizinische als auch nicht-medizinische Anwendungen umfasst. In der Vergangenheit hat die Herausforderung, dass neurologische Verletzungen nach einer anfänglichen Erholungsphase statisch bleiben, die Forscher dazu veranlasst, innovative Wege zu beschreiten. Seit den 1970er Jahren stehen BCIs an vorderster Front dieser Bemühungen. Mit den Fortschritten in der Forschung haben sich die BCI-Anwendungen erweitert und zeigen ein großes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen, auch für weniger stark eingeschränkte (zum Beispiel im Kontext von Hörelektronik) sowie völlig gesunde Menschen (zum Beispiel in der Unterhaltungsindustrie). Die Zukunft der BCI-Forschung hängt jedoch auch von der Verfügbarkeit zuverlässiger BCI-Hardware ab, die den Einsatz in der realen Welt gewährleistet. Das im Rahmen dieser Arbeit konzipierte und implementierte CereBridge-System stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Brain-Computer-Interface-Technologie dar, da es die gesamte Hardware zur Erfassung und Verarbeitung von EEG-Signalen in ein mobiles System integriert. Die Architektur der Verarbeitungshardware basiert auf einem FPGA mit einem ARM Cortex-M3 innerhalb eines heterogenen ICs, was Flexibilität und Effizienz bei der EEG-Signalverarbeitung gewährleistet. Der modulare Aufbau des Systems, bestehend aus drei einzelnen Boards, gewährleistet die Anpassbarkeit an unterschiedliche Anforderungen. Das komplette System wird an der Kopfhaut befestigt, kann autonom arbeiten, benötigt keine externe Interaktion und wiegt einschließlich der 16-Kanal-EEG-Sensoren nur ca. 56 g. Der Fokus liegt auf voller Mobilität. Das vorgeschlagene anpassbare Datenflusskonzept erleichtert die Untersuchung und nahtlose Integration von Algorithmen und erhöht die Flexibilität des Systems. Dies wird auch durch die Möglichkeit unterstrichen, verschiedene Algorithmen auf EEG-Daten anzuwenden, um unterschiedliche Anwendungsziele zu erreichen. High-Level Synthesis (HLS) wurde verwendet, um die Algorithmen auf das FPGA zu portieren, was den Algorithmenentwicklungsprozess beschleunigt und eine schnelle Implementierung von Algorithmusvarianten ermöglicht. Evaluierungen haben gezeigt, dass das CereBridge-System in der Lage ist, die gesamte Signalverarbeitungskette zu integrieren, die für verschiedene BCI-Anwendungen erforderlich ist. Darüber hinaus kann es mit einer Batterie von mehr als 31 Stunden Dauerbetrieb betrieben werden, was es zu einer praktikablen Lösung für mobile Langzeit-EEG-Aufzeichnungen und reale BCI-Studien macht. Im Vergleich zu bestehenden Forschungsplattformen bietet das CereBridge-System eine bisher unerreichte Leistungsfähigkeit und Ausstattung für ein mobiles BCI. Es erfüllt nicht nur die relevanten Anforderungen an ein mobiles BCI-System, sondern ebnet auch den Weg für eine schnelle Übertragung von Algorithmen aus dem Labor in reale Anwendungen. Im Wesentlichen liefert diese Arbeit einen umfassenden Entwurf für die Entwicklung und Implementierung eines hochmodernen mobilen EEG-basierten BCI-Systems und setzt damit einen neuen Standard für BCI-Hardware, die in der Praxis eingesetzt werden kann.Brain-Computer Interfaces (BCIs) are innovative systems that enable direct communication between the brain and external devices. These interfaces have emerged as a transformative solution not only for individuals with neurological injuries, but also for a broader range of individuals, encompassing both medical and non-medical applications. Historically, the challenge of neurological injury being static after an initial recovery phase has driven researchers to explore innovative avenues. Since the 1970s, BCIs have been at one forefront of these efforts. As research has progressed, BCI applications have expanded, showing potential in a wide range of applications, including those for less severely disabled (e.g. in the context of hearing aids) and completely healthy individuals (e.g. entertainment industry). However, the future of BCI research also depends on the availability of reliable BCI hardware to ensure real-world application. The CereBridge system designed and implemented in this work represents a significant leap forward in brain-computer interface technology by integrating all EEG signal acquisition and processing hardware into a mobile system. The processing hardware architecture is centered around an FPGA with an ARM Cortex-M3 within a heterogeneous IC, ensuring flexibility and efficiency in EEG signal processing. The modular design of the system, consisting of three individual boards, ensures adaptability to different requirements. With a focus on full mobility, the complete system is mounted on the scalp, can operate autonomously, requires no external interaction, and weighs approximately 56g, including 16 channel EEG sensors. The proposed customizable dataflow concept facilitates the exploration and seamless integration of algorithms, increasing the flexibility of the system. This is further underscored by the ability to apply different algorithms to recorded EEG data to meet different application goals. High-Level Synthesis (HLS) was used to port algorithms to the FPGA, accelerating the algorithm development process and facilitating rapid implementation of algorithm variants. Evaluations have shown that the CereBridge system is capable of integrating the complete signal processing chain required for various BCI applications. Furthermore, it can operate continuously for more than 31 hours with a 1800mAh battery, making it a viable solution for long-term mobile EEG recording and real-world BCI studies. Compared to existing research platforms, the CereBridge system offers unprecedented performance and features for a mobile BCI. It not only meets the relevant requirements for a mobile BCI system, but also paves the way for the rapid transition of algorithms from the laboratory to real-world applications. In essence, this work provides a comprehensive blueprint for the development and implementation of a state-of-the-art mobile EEG-based BCI system, setting a new benchmark in BCI hardware for real-world applicability